一种兼顾生态保护需求的水库兴利调度图优化方法

摘要

本发明公开了一种兼顾生态保护需求的水库兴利调度图优化方法，包括获取水电站水库的基本信息数据；选取代表鱼类，采用物理栖息地模型PHABSIM建立下泄流量与生态保护程度之间的关系，确定生态保护目标对应的生态流量区间；基于发电效益和生态效益建立水库调度图优化模型；以入库径流为水库调度图优化模型的输入，采用DPSA方法求解模型；绘制生态限制线，建立生态限制线和水库调度曲线相结合的水库调度规则，编制多目标优化调度图。本发明根据鱼类不同的生长周期采用不同的流量区间对生态目标进行优化，更符合实际情况；并通过增加生态限制线，来减小生态流量破坏深度，进一步加强对下游生态的保护。

说明书

技术领域

本发明涉及水库调度图优化方法，特别是涉及一种兼顾生态保护需求的水库兴利调度图优化方法。

背景技术

水库调度图使用操作简便被广泛的运用于水库调度中，制定合理的水库调度图可以提高水库的社会经济效益并能有效的保护河流生态系统。

目前在调度图优化方面的研究主要考虑发电和供水等经济效益目标，对下游生态环境的保护的考虑较少。

现有的考虑生态的水库调度图通常是选取一个固定的流量作为生态流量进行调度图的优化，不能反映年内生态流量需求的变化，不能有效的保护下游的生态环境。即现有方法难以实现经济效益最大化的同时有效提高河流生态系统保护。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种能保证水库的运行不会造成河流生态系统的严重破坏，使水库运行带来的经济和生态的综合效益最大化，即兼顾生态保护需求的水库兴利调度图优化方法。

技术方案：一种兼顾生态保护需求的水库兴利调度图优化方法，包括以下步骤：

(1)获取水电站水库的基本信息数据；

(2)选取代表鱼类，采用物理栖息地模型PHABSIM建立下泄流量与生态保护程度之间的关系，确定生态保护目标对应的生态流量区间；

(3)基于发电效益和生态效益建立水库调度图优化模型；

(4)以入库径流为水库调度图优化模型的输入，采用DPSA方法求解模型；

(5)绘制生态限制线，建立生态限制线和水库调度曲线相结合的水库调度规则，编制多目标优化调度图。

进一步的，所述步骤(2)中采用物理栖息地模型PHABSIM建立下泄流量与生态保护程度之间的关系，其中，水库下泄流量对应的代表鱼类加权可利用面积的计算公式为：

C_i＝f(v_i)×f(d_i)×f(c_i)(2)

式中，A_i为研究河段第i个网格的水域面积；C_i为第i个网格的组合适应度因子；f(v_i),f(d_i),f(c_i)分别为第i个网格的流速、水深、河床地质适宜度值；根据流量条件计算出各网格不同的流速、水深，由式(1)和式(2)进一步计算出各流量条件下的WUA值，得到流量－WUA关系曲线；

t时段水库下游的生态保护程度R_t的计算公式为：

式中，R_t为t时段水库下游的生态保护程度；WUA_t为t时段水库下泄流量对应的代表鱼类加权可利用面积，WUA_t,max为t时段对应最大加权可利用面积，建立流量与生态保护程度之间的关系。

进一步的，所述步骤(3)中建立水库调度图优化模型为：

maxE(x)＝{E₁(x),E₂(x)}

(4)

s.t x∈G(x)

其中，E(x)表示目标函数集，E₁(x)表示生态效益目标函数，E₂(x)表示发电效益目标函数，G(x)表示约束条件集。

更进一步的，所述建立水库调度图优化模型的方法包括：

(31)建立生态效益目标：

式中，E₁为水库下游年平均生态保护程度，R_t为t时段水库下游的生态保护程度，T为总时段数。

(32)建立发电效益目标：

式中，E₂为水库水电站的年发电量，△t为计算时段，k为水电站出力系数，q_t为t时段水轮机过机流量，H_t为t时段水电站净水头；

(33)多目标处理方法

对水库调度图进行优化，需同时考虑生态效益目标和经济效益目标，将多目标问题转化成单目标处理，总目标计算公式为：

式中，E为总目标，E_i'为权重系数子目标的均值归一化后的子目标，E_i为权重系数子目标，为权重系数子目标的均值，α_i为权重系数，

(4)约束条件集

水库调度图优化模型中优化变量是水库调度图调度线的水位高度，在优化过程中需要满足以下约束条件集：

①调度线形状约束：

式中，为第j条调度线在t时段对应的水库水位，和分别为紧邻第j条调度线之下的第j-1条调度线和紧邻第j条调度线之上的第j+1条调度线在t时段对应的水库水位；和分别为t时段对应的水库允许的最低蓄水位和最高蓄水位；

②水量平衡约束：

V_t+1＝V_t+(I_t-Q_t)×△t，t＝1,2,…T；(9)

式中，I_t和Q_t分别为t时段水库的入库流量和下泄流量，V_t和V_t+1分别为t时段和t+1时段的水库蓄水量，△t为时段间隔；

③水库库容约束：

V_t^min≤V_t≤V_t^max，t＝1,2,…T；(10)

式中，V_t^min和V_t^max分别为t时段水库允许的最小蓄水量和最大蓄水量；

④电站出力约束

式中，N_t为t时段的水库出力，和分别为t时段水库允许的最小出力和最大出力；

⑤水库下泄流量约束：

式中，和分别为t时段水库允许的最小下泄流量和最大下泄流量。

进一步的，所述步骤(4)包括：

(41)将常规调度图作为初始调度图C⁰，调度线条数为S，每条调度线有T个点；

(42)固定除当前调度线L当前阶段的标点以外的其他标点，对当前标点在其可行域范围内进行寻优，其中可行域内任意一个点与其他所有固定标点构成新的调度图，根据长系列历史径流资料，按照出力要求模拟调度过程，计算效益值，取其中最大效益的点作为当前调度线当前时段的标点值；

(43)对当前调度线L下一个阶段的标点进行优化，直到对调度线L所有标点完成优化；

(44)计算本次优化得到的调度线L^(m)与上一次优化得到的调度线L^(m-1)之间的距离，判断是否满足精度要求，若满足进行步骤(45)，否则，重复步骤(42)～步骤(43)直到相邻两轮优化的调度线之间的距离满足精度要求；

(45)从下到上，按步骤(42)～步骤(44)对下一调度线优化，直到调度图中所有调度线完成寻优，并记录优化后的调度图C¹及其效益值E¹，完成第一轮寻优；

(46)计算本次优化得到的调度图C⁽ⁿ⁾与上一次优化得到的调度图C^(n-1)之间的距离，判断是否满足精度要求，若满足结束迭代，否则，重复步骤(42)～步骤(45)进行迭代寻优，直到前后两轮调度图的距离满足一定精度，整个迭代程序结束；

其中，步骤(44)和步骤(46)中调度线之间的距离和调度图之间的距离定义如下：定义调度线f与调度线g之间的距离为其中f_k和g_k分别表示在k时段f调度线和g调度线上的水库水位标点值；调度图之间的距离为其中，C1_s,k和C2_s,k分别对应于调度图C1与C2第s条调度线k时段的标点值。

进一步的，所述步骤(5)包括：

(51)下生态流量限制线绘制方法：选择多个枯水年，从供水期末死水位开始，根据本时段的来水和生态流量区间下限，运用水量平衡公式逆时序推求至蓄水期初，得到水位变化过程，取各枯水年水库水位上包线即为下生态流量限制线，具体推求过程如下式：

V_t＝V_t+1+(q1_t-I_t)×△t，t＝T+1,T,T-1…2,1(13)

式中，I_t为t时段水库的入库流量，V_t和V_t+1分别为t时段和t+1时段的水库蓄水量，q1_t为t时段生态流量区间的下限流量，△t为时段间隔；

(52)上生态流量限制线绘制方法：选择多个丰水年，从供水期末死水位开始，根据本时段的来水和生态流量区间上限，运用水量平衡公式逆时序推求至蓄水期初，得到水位变化过程，取各丰水年水库水位下包线即为上生态流量限制线，具体推求过程如下式：

V_t＝V_t+1+(q2_t-I_t)×△t，t＝T+1,T,T-1…2,1(14)

式中，I_t为t时段水库的入库流量，V_t和V_t+1分别为t时段和t+1时段的水库蓄水量，q2_t为t时段生态流量区间的上限流量，△t为时段间隔；

(53)调度规则：当水库水位在生态限制区时，电站以该区域的规则进行调度，当生态限制区域与调度图的其他区域重合时，以生态限制区域规则进行调度，其他区域的运行规则同常规调度图。

有益效果：与现有技术相比，本发明的方法具有以下优点：

(1)现有技术在水库调度图生态目标优化方面，通常将生态流量取为一个固定值，不能反映生态要求的年内变化情况，本发明根据鱼类不同的生长周期采用不同的流量区间对生态目标进行优化，更符合实际情况。

(2)在来水较枯(或较丰)的年份，水库水位会处于较低(或较高)的水平，继续按照调度图进行定出力调节，可能会造成生态破坏程度较重的情况，因此，本发明通过增加生态限制线，来减小生态流量破坏深度，进一步加强对下游生态的保护。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是实施例中的常规调度图；

图3是DPSA算法求解模型流程图；

图4是含有生态限制线的水库调度图示意图；

图5是实施例中含有生态限制线的水库优化调度图；

图6是常规调度图模拟结果和优化调度图模拟结果示意图。

具体实施方式

下面以实施例和附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明运用物理栖息地模型计算生态流量区间，建立以生态和发电为目标的优化调度模型，增加生态限制线，寻求水库总体生态、发电效益最大，同时单次生态破坏程度最小的多目标调度图。如图1所示，本发明的一种兼顾生态保护需求的水库兴利调度图优化方法，包括以下步骤：

步骤1：获取水电站水库的基本信息数据。

收集水电站水库的资料，某年调节水库的主要功能是发电同时兼顾下游生态保护的要求。正常蓄水位为675m，死水位为640m，可利用库容为8.2亿m³，装机容量为270MW，水轮机最大过流量为270m³/s。

步骤2：选取代表鱼类，采用物理栖息地模型(Physical Habitat Simulation Model，PHABSIM)建立水库下泄流量与生态保护程度的关系，确定生态保护目标对应的生态流量区间。其中，水库下泄流量对应的代表鱼类加权可利用面积的计算公式为：

C_i＝f(v_i)×f(d_i)×f(c_i)(2)

式中，A_i为研究河段第i个网格的水域面积，C_i为第i个网格的组合适应度因子，f(v_i),f(d_i),f(c_i)分别为第i个网格的流速、水深、河床地质适宜度值。根据流量条件计算出各网格不同的流速、水深，由式(1)和式(2)进一步计算出各流量条件下的WUA值，得到流量－WUA关系曲线。

t时段水库下游的生态保护程度R_t的计算公式为：

式中，R_t为t时段水库下游的生态保护程度；WUA_t为t时段水库下泄流量对应的代表鱼类加权可利用面积，WUA_t,max为t时段对应最大加权可利用面积，建立流量与生态保护程度之间的关系。

实例中选取生态保护程度目标为70％，随着生态流量的增加，WUA值先增加后减少，当生态保护程度选取70％时对应两个WUA值，因此对应两个生态流量，构成70％生态保护程度对应的流量区间，当实际生态流量在流量区间中时生态保护程度满足70％，具体的70％生态保护程度对应的生态流量区间见表1。

表1 70％生态保护程度对应的生态流量区间

步骤3：基于生态效益、发电效益建立水库调度图优化模型

如图2所示，常规兴利调度图一般包含上基本调度线、下基本调度线以及加大出力线等调度线。通过建立以生态、发电效益为目标的调度模型对常规调度图原有的调度线进行优化，目标函数和约束条件的具体形式如下：

(1)生态效益目标：

式中，E₁为水库下游年平均生态保护程度，R_t为t时段水库下游的生态保护程度；T为总时段数。

(2)发电效益目标：

式中，E₂为水库水电站的年发电量，单位为kW·h；△t为计算时段，单位为h；k为水电站出力系数；q_t为t时段水轮机过机流量，单位为m³/s；H_t为t时段水电站净水头。

(3)多目标处理方法

对水库调度图进行优化，需同时考虑生态效益目标和经济效益目标，将多目标问题转化成单目标处理，总目标计算公式为：

式中，E为总目标，E_i'为权重系数子目标的均值归一化后的子目标，E_i为权重系数子目标，为权重系数子目标的均值，α_i为权重系数，本实例中α₁＝α₂＝0.5。

(4)约束条件

本发明的优化变量是水库调度图调度线的水位高度，在优化过程中需要满足以下G(x)约束条件集：

①调度线形状约束(即：调度线之间不能交叉)

式中，为第j条调度线在t时段对应的水库水位，和分别为紧邻第j条调度线之下的第j-1条调度线和紧邻第j条调度线之上的第j+1条调度线在t时段对应的水库水位；和分别为t时段对应的水库允许的最低蓄水位和最高蓄水位。

②水量平衡约束

V_t+1＝V_t+(I_t-Q_t)×△t，t＝1,2,…T(8)

式中，I_t和Q_t分别为t时段水库的入库流量和下泄流量；V_t和V_t+1分别为t时段和t+1时段的水库蓄水量；△t为时段间隔。

③水库库容约束

V_t^min≤V_t≤V_t^max，t＝1,2,…T(9)

式中，V_t^min和V_t^max分别为t时段水库允许的最小蓄水量和最大蓄水量。

④电站出力约束

式中，N_t为t时段的水库出力；和分别为t时段水库允许的最小出力和最大出力。

⑤水库下泄流量约束

式中，和分别为t时段水库允许的最小下泄流量和最大下泄流量。

步骤4：以入库径流为模型的输入，采用逐次逼近动态规划法(DPSA)求解模型。具体算法流程图如图3所示，包括以下步骤：

(1)输入水电站水库基本资料；

(2)将常规调度图作为初始调度图C⁽⁰⁾，调度线条数为S，每条调度线有T各点；

(3)固定除当前调度线L当前阶段的标点以外的其他标点，对当前标点在其可行域范围内进行寻优，其中可行域内任意一个点与其他所有固定标点构成新的调度图，根据长系列历史径流资料，按照出力要求模拟调度过程，计算效益值，取其中最大效益的点作为当前调度线当前时段的标点值；

(4)对当前调度线L下一个阶段的标点进行优化，直到对调度线L所有标点完成优化；

(5)计算本次优化得到的调度线L^(m)与上一次优化得到的调度线L^(m-1)之间的距离，判断是否满足精度要求，若满足进行步骤(6)，否则，重复步骤(3)～步骤(4)直到相邻两轮优化的调度线之间的距离满足精度要求；

(6)从下到上，按步骤(3)～步骤(5)对下一调度线优化，直到调度图中所有调度线完成寻优，并记录优化后的调度图C⁽¹⁾及其效益值E¹，完成第一轮寻优；

(7)计算本次优化得到的调度图C⁽ⁿ⁾与上一次优化得到的调度图C^(n-1)之间的距离，判断是否满足精度要求，若满足结束迭代，否则，重复步骤(3)～步骤(6)进行迭代寻优，直到前后两轮调度图的距离满足一定精度，整个迭代程序结束。

其中，步骤(5)和步骤(7)中调度线之间的距离和调度图之间的距离定义如下：定义调度线f与调度线g之间的距离为其中f_k和g_k分别表示在k时段f调度线和g调度线上的水库水位标点值；调度图之间的距离为其中，C1_s,k和C2_s,k分别对应于调度图C1与C2第s条调度线k时段的标点值。

实例中以1981～2010年的入库径流实测资料推导优化调度图，其中，DPSA方法参数取值如下：调度线之间距离精度为0.5，调度图之间的距离精度为2。

步骤5：绘制生态限制线，建立生态限制线和水库调度曲线相结合的水库调度规则，编制多目标优化调度图。包括以下步骤：

(a)下生态流量限制线绘制方法：选择多个枯水年，从供水期末死水位开始，根据本时段的来水和生态流量区间下限，运用水量平衡公式逆时序推求至蓄水期初，得到水位变化过程，取各枯水年水库水位上包线即为下生态流量限制线。具体推求过程如式(13)：

V_t＝V_t+1+(q1_t-I_t)×△t，t＝T+1,T,T-1…2,1(13)

式中，I_t为t时段水库的入库流量，V_t和V_t+1分别为t时段和t+1时段的水库蓄水量，q1_t为t时段生态流量区间的下限流量。

(b)上生态流量限制线绘制方法：选择多个丰水年，从供水期末死水位开始，根据本时段的来水和生态流量区间上限，运用水量平衡公式逆时序推求至蓄水期初，得到水位变化过程，取各丰水年水库水位下包线即为上生态流量限制线。具体推求过程如式(14)：

V_t＝V_t+1+(q2_t-I_t)×△t，t＝T+1,T,T-1…2,1(14)

式中：I_t为t时段水库的入库流量，V_t和V_t+1分别为t时段和t+1时段的水库蓄水量，q2_t为t时段生态流量区间的上限流量。

(c)调度规则：当水库水位在生态限制区时，电站以该区域的规则进行调度，当生态限制区域与调度图的其他区域重合时，以生态限制区域规则进行调度，其他区域的运行规则同常规调度图。

实例中在步骤4调度图优化的基础上增加生态限制线，以70％生态保护程度的流量区间上界绘制上生态限制线，用70％生态保护程度的流量区间下界绘制下生态限制线，得到图4所示的生态限制线的水库调度图示意图。具体的，上生态限制线其以上的区域为上生态限制区，下生态限制线以下的区域为下生态限制区。当水库水位在生态限制区时，电站以该时段对应的生态流量区间的上界或下界进行下泄，当生态限制区域与调度图的其他区域重合时，以该区域的规则进行调度，其他区域的运行规则同常规调度图。最终编制的含有生态限制线的多目标优化调度图见图5，由下到上依次为下生态限制区，降低出力区、保证出力区、1.5倍加大出力区、2倍加大出力区、满发出力区和上生态限制区。

根据绘制的多目标优化调度图和常规调度图进行水库的模拟，常规调度下，多年平均年发电量为10.99亿kW·h，平均生态保护程度为92.34％，生态破坏频率为6.11％，最低生态保护程度为53.07％。在优化调度图调度下，多年平均年发电量为11.18亿kW·h，比常规增加1.72％，平均生态保护程度为92.61％，比常规增加0.27％；生态破坏频率为1.11％，比常规降低5％；最低生态保护程度为60.84％。结果表明优化调度图可以有效提高水库的发电量及下游整体的生态保护程度，同时，当发生生态破坏情况时有效减小其破坏深度。

水库分别依据常规调度图和优化调度图运行的下泄流量过程如图6所示，位于流量区间之外的流量不能达到70％生态保护程度，用‘o’表示。定义生态保护程度低70％的月份为生态破坏月份，经优化调度生态破坏发生的频率明显降低。另外，在优化调度的下泄流量的年内差异较常规调度减小。